CN110598332A - 一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法 - Google Patents

一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110598332A
CN110598332A CN201910874987.2A CN201910874987A CN110598332A CN 110598332 A CN110598332 A CN 110598332A CN 201910874987 A CN201910874987 A CN 201910874987A CN 110598332 A CN110598332 A CN 110598332A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical system
cutting optical
laser
cutting
axial position
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910874987.2A
Other languages
English (en)
Inventor
底才翔
孙艳军
王菲
陈爔
丁伟
黄一芮
田明
罗宽
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changchun University of Science and Technology
Original Assignee
Changchun University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changchun University of Science and Technology filed Critical Changchun University of Science and Technology
Priority to CN201910874987.2A priority Critical patent/CN110598332A/zh
Publication of CN110598332A publication Critical patent/CN110598332A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T19/00—Manipulating 3D models or images for computer graphics
    • G06T19/20—Editing of 3D images, e.g. changing shapes or colours, aligning objects or positioning parts
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/10—Segmentation; Edge detection
    • G06T7/11—Region-based segmentation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明公开了一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法，采用多物理场耦合仿真软件来计算仿真激光辐照下切割光学***中光‑热‑应力场等多物理场耦合过程，获得中各面形点的坐标数据，将各面形点的坐标数据导入至光学设计软件，通过光路计算获得激光功率辐照下切割光学***焦点轴向位置。本发明给出了计算激光切割光学***在大功率激光作用下焦点轴向位置的方法，为实现高质高效切割加工提供了依据。

Description

一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法
技术领域
本发明涉及一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法，属于激光技术领域。
背景技术
在大功率激光切割***中，激光束经过切割光学***后聚焦耦合到工件表面进行切割加工。由于切割光学***中的光学镜片吸收激光将发生热膨胀变形，相应镜片的面形发生变化。随着激光功率不断增加，光学镜片的膨胀变形将导致切割光学***中各光学镜片的焦距发生变化，进而引起切割光学***的焦点沿轴向漂移，影响切割的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法，该方法通过计算大功率激光辐照下切割光学***中光学镜片的面形变化，从而得到相应的切割光学***焦点的轴向位置。
为实现上述目的，如附图1所示，本发明采用的技术方案是：
一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法主要分为两个步骤：
第一步，采用多物理场耦合软件仿真大功率激光辐照所述切割光学***中各面形点坐标，具体步骤如下：
步骤1-1、设置光-热-力等物理场，设定多物理场耦合工作状态为稳态；
步骤1-2、建立所述切割光学***的三维几何模型，设定所述切割光学***的物理参数和材料参数；
步骤1-3、加载辐照激光光源A，并设置激光光源A参数；
步骤1-4、设置所述切割光学***中各光学镜片初始条件和边界条件；
步骤1-5、建立光-热-应力场等多物理场间耦合关系；
步骤1-6、对所述切割光学***的三维几何模型进行自由四面体网格剖分；
步骤1-7、进行光-热-应力场等多物理场耦合计算；
步骤1-8、输出激光功率P辐照下所述切割光学***各面形上点的坐标数据；
第二步、采用光学设计软件计算所述切割光学***在激光功率P辐照下的焦点轴向位置，具体步骤如下：
步骤2-1、建立激光光源B；所述的激光光源B与激光光源A具有相同的波长、光场分布函数、光束发散角、输出光斑直径，以及与所述切割光学***间的轴向间隔L；
步骤2-2、将步骤1-8获得的所述切割光学***各面形点的坐标数据导入至光学设计软件的非序列模块中；
步骤2-3、光路追迹计算获得激光功率P辐照下所述切割光学***的焦点轴向位置。
有益效果：本发明在采用多物理场耦合软件仿真激光切割光学***中各光学镜片在大功率激光辐照下的面形变化，然后将各光学镜片上点坐标导入光学设计软件中进行光路计算模拟，从而获得大功率激光辐照下切割光学***的焦点轴向位置，为大功率激光切割设备的焦点控制提供理论依据。
附图说明
图1是激光切割光学***焦点轴向位置的计算流程图。
图2是激光切割光学***的三维几何模型。
具体实施方式
实施例1一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法。
本发明的大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法，结合附图1和附图2，按以下步骤进行：
第一步，采用多物理场耦合软件COMSOL仿真大功率激光辐照所述激光切割光学***中各面形点坐标，具体步骤如下：
步骤1-1、进入软件主界面，选择“模型向导”，设置光-热-力等物理场，添加射线光学、固体传热与固体力学物理场接口，设定多物理场耦合工作状态为稳态；
步骤1-2、建立所述切割光学***的三维几何模型，设定所述切割光学***中各光学镜片的物理参数；如附图2所示，所述切割光学***由K9玻璃材质的平凸透镜F1和平凸透镜F2组成，平凸透镜F1与平凸透镜F2的间距△L为60mm；所述平凸透镜F1和平凸透镜F2的曲率半径50mm，中心厚度为4mm，直径25.4mm，导热系数为1.38W/(m*K)，密度为2203kg/m3，恒压热容为703J/(kg*K)，杨氏模量为7.31*1010Pa，泊松比为0.17，热膨胀系数为0.55*10-6 1/K，折射率为1.5，吸收系数为0.05％；
步骤1-3、加载辐照激光光源A，设置激光功率P为2000W，波长为1064nm，光场分布函数为高斯函数，光束发散角θ为13.8°，输出光斑直径为0.2mm，与所述切割光学***间的轴向间隔L为98.7mm；
步骤1-4、设置所述切割光学***中各光学镜片初始条件和边界条件；对于射线光学接口，设定激光的出射位置位于透镜的焦点处，出射方向与透镜表面垂直；对于固体传热接口，设定光学镜片的对流热通量为10W/(m2*K)；对于固体力学接口，设定透镜的边缘部分为固定约束；并对射线光学、固体传热与固体力学接口进行耦合；
步骤1-5、建立光-热-应力场等多物理场间耦合关系；
步骤1-6、对所述切割光学***的三维几何模型进行自由四面体网格剖分；
步骤1-7、进行光-热-应力场等多物理场耦合计算；
步骤1-8、输出激光功率P辐照下所述切割光学***各面形上点的坐标数据；
第二步，采用光学设计软件Zemax计算模拟所述切割光学***焦点的轴向位置，具体步骤如下：
步骤2-1、建立激光光源B；所述的激光光源B与激光光源A具有相同的波长、光场分布函数、光束发散角、输出光斑直径，以及与所述切割光学***间的轴向间隔L；
步骤2-2、将步骤1-5中获得的平凸透镜F1和平凸透镜F2面形上各点的坐标数据导入至光学设计软件的非序列模块中；
步骤2-3、进行光路计算，获得激光功率2000W辐照下所述切割光学***焦点的轴向位置Z。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法，其特征在于，主要分为两个步骤：
第一步，采用多物理场耦合软件仿真大功率激光辐照所述切割光学***中各面形点坐标，具体步骤如下：
步骤1-1、设置光-热-力等物理场，设定多物理场耦合工作状态为稳态；
步骤1-2、建立所述切割光学***的三维几何模型，设定所述切割光学***的物理参数和材料参数；
步骤1-3、加载辐照激光光源A，并设置激光光源A参数；
步骤1-4、设置所述切割光学***中各光学镜片初始条件和边界条件；
步骤1-5、建立光-热-应力场等多物理场间耦合关系；
步骤1-6、对所述切割光学***的三维几何模型进行自由四面体网格剖分；
步骤1-7、进行光-热-应力场等多物理场耦合计算；
步骤1-8、输出激光功率P辐照下所述切割光学***各面形上点的坐标数据；
第二步、采用光学设计软件计算所述切割光学***在激光功率P辐照下的焦点轴向位置，具体步骤如下：
步骤2-1、建立激光光源B；所述的激光光源B与激光光源A具有相同的波长、光场分布函数、光束发散角、输出光斑直径，以及与所述切割光学***间的轴向间隔L；
步骤2-2、将步骤1-8获得的所述切割光学***各面形点的坐标数据导入至光学设计软件的非序列模块中；
步骤2-3、光路追迹计算获得激光功率P辐照下所述切割光学***的焦点轴向位置。
2.如权利要求1所述的一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法，其特征在于，利用多物理场耦合软件获得激光功率P辐照下所述切割光学***中各面形点的坐标数据。
3.如权利要求1所述的一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法，其特征在于，将多物理场耦合软件计算获得的所述切割光学***中各面形点的坐标数据导入至光学设计软件的非序列模块中进行光路计算。
CN201910874987.2A 2019-09-19 2019-09-19 一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法 Pending CN110598332A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910874987.2A CN110598332A (zh) 2019-09-19 2019-09-19 一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910874987.2A CN110598332A (zh) 2019-09-19 2019-09-19 一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110598332A true CN110598332A (zh) 2019-12-20

Family

ID=68860211

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910874987.2A Pending CN110598332A (zh) 2019-09-19 2019-09-19 一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110598332A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111121621A (zh) * 2019-12-24 2020-05-08 北京理工大学 大口径膜基衍射光学***主镜分块镜位置误差分析方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020090122A1 (en) * 2000-11-03 2002-07-11 Baer Thomas M. Road map image guide for automated microdissection
US20050213022A1 (en) * 2004-03-25 2005-09-29 Yoshitaka Kawada Method and apparatus for correcting a defective pixel of a liquid crystal display
CN105531071A (zh) * 2013-09-13 2016-04-27 通快机床两合公司 用于监视、尤其用于调节切割过程的装置和方法
CN106994557A (zh) * 2017-04-20 2017-08-01 武汉铱科赛科技有限公司 一种激光焦点位置动态可控的激光加工***及方法
CN108319113A (zh) * 2018-01-31 2018-07-24 宁波大学 一种玻璃毛细管中加工微结构的变形矫正方法
CN108581243A (zh) * 2018-05-15 2018-09-28 大族激光科技产业集团股份有限公司 激光焦点偏移量消除方法
CN108875264A (zh) * 2018-07-06 2018-11-23 厦门大学 一种用于飞秒激光烧蚀仿真的激光源模型的建立方法
CN108875114A (zh) * 2017-09-07 2018-11-23 湖南大学 一种聚焦激光束特征参数辨识方法
CN109416419A (zh) * 2016-04-25 2019-03-01 普雷茨特两合公司 用于激光切割的射束成型光学***以及具有射束成型光学***的设备

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020090122A1 (en) * 2000-11-03 2002-07-11 Baer Thomas M. Road map image guide for automated microdissection
US20050213022A1 (en) * 2004-03-25 2005-09-29 Yoshitaka Kawada Method and apparatus for correcting a defective pixel of a liquid crystal display
CN105531071A (zh) * 2013-09-13 2016-04-27 通快机床两合公司 用于监视、尤其用于调节切割过程的装置和方法
CN109416419A (zh) * 2016-04-25 2019-03-01 普雷茨特两合公司 用于激光切割的射束成型光学***以及具有射束成型光学***的设备
CN106994557A (zh) * 2017-04-20 2017-08-01 武汉铱科赛科技有限公司 一种激光焦点位置动态可控的激光加工***及方法
CN108875114A (zh) * 2017-09-07 2018-11-23 湖南大学 一种聚焦激光束特征参数辨识方法
CN108319113A (zh) * 2018-01-31 2018-07-24 宁波大学 一种玻璃毛细管中加工微结构的变形矫正方法
CN108581243A (zh) * 2018-05-15 2018-09-28 大族激光科技产业集团股份有限公司 激光焦点偏移量消除方法
CN108875264A (zh) * 2018-07-06 2018-11-23 厦门大学 一种用于飞秒激光烧蚀仿真的激光源模型的建立方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHRISTOPHER BOUCHER: "Modeling Thermally Induced Focal Shift in High-Powered Laser Systems", 《COMSOL.COM/BLOGS/MODELING-THERMALLY-INDUCED-FOCAL-SHIFT-HIGH-POWERED-LASER-SYSTEMS》, 18 November 2014 (2014-11-18), pages 1 - 10 *
WILLIAM H. CARTER等: "Focal shift and concept of effective Fresnel number for a Gaussian laser beam", 《APPLIED OPTICS》, vol. 21, no. 11, 1 June 1982 (1982-06-01), pages 1989 - 1994 *
佟玲等: "激光焦点控制磁力驱动的控制特性实验对比分析", 《国防科技大学学报》, vol. 40, no. 03, 28 June 2018 (2018-06-28), pages 120 - 126 *
陈爔等: "3A21铝合金表面激光毛化坑点形貌演变规律", 《激光与光电子学进展》, vol. 56, no. 24, 24 June 2019 (2019-06-24), pages 173 - 180 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111121621A (zh) * 2019-12-24 2020-05-08 北京理工大学 大口径膜基衍射光学***主镜分块镜位置误差分析方法
CN111121621B (zh) * 2019-12-24 2021-04-02 北京理工大学 大口径膜基衍射光学***主镜分块镜位置误差分析方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103801838B (zh) 一种变线宽激光振镜扫描快速刻蚀方法
CN104191089B (zh) 基于激光器输出光束的三维动态聚焦标刻***及方法
EP2716397A1 (en) Laser working head, laser working device, optical system for laser working device, laser working method, and laser focusing method
CN103212786B (zh) 激光加工装置及其方法
CN103513426A (zh) 一种优化光束质量提升激光加工效率的方法
CN106392337B (zh) 一种对射式多焦点激光分离脆性透射材料方法及装置
CN110977152A (zh) 一种slm双激光复合加工***
CN105140765A (zh) 光纤激光器的谐振腔模块及其光纤激光器
CN110598332A (zh) 一种大功率激光切割光学***焦点轴向位置的计算方法
CN204287551U (zh) 一种大能量、窄脉宽的激光与光纤的耦合装置
JP2016514621A (ja) 線形強度分布を有するレーザビームを生成するための装置
CN103252575A (zh) 一种用于激光材料加工的光学传输方法及***
CN207020405U (zh) 一种产生椭圆空心聚焦光束的光学***
CN211564832U (zh) 一种slm双激光复合加工装置
CN103885186A (zh) 一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***
CN105710369A (zh) 用于逐层制造三维物体的装置及控制方法和扫描方法
CN103313817A (zh) 一种激光加工***
CN104966986A (zh) 激光器阵列装配指向性测试***
CN203838413U (zh) 一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***
CN218657326U (zh) 一种多焦点的激光剥蚀***
CN105925792A (zh) 激光冲击强化***
CN103692090A (zh) 触控面板用loca胶的激光切割装置和方法
CN114167549A (zh) 光纤激光合束装置
CN210427969U (zh) 一种基于非球面镜可调环形光斑zoom切割装置
JP6808892B2 (ja) 合波光学系

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20191220